谐波延拓方法解决边界场处理难题，应用于海洋建模
本研究提出了一种通用的谐波延拓方法，通过求解拉普拉斯边值问题，将定义域内的场平滑地延拓至边界之外。该方法适用于不规则边界（如离散化海岸线），具有适定性、唯一性，并能保持边界条件。其物理意义在于，在所有满足边界条件的延拓中，谐波延拓具有最小的空间变异性。该方法易于用成熟的数值方法实现，可广泛应用于海洋变量（如海表温度）在陆地上的延拓，以及机器学习参数化、壁面流动与多相流的亚网格建模。
2025-12-04 速览 · 物理学
2025-12-04 共 24 条抓取，按综合热度排序
AtomDisc：原子级分词器提升分子大语言模型性能，揭示结构-性质关联
本研究提出AtomDisc框架，通过数据驱动的方式将原子级局部环境量化为结构感知的token，并直接嵌入大语言模型（LLM）的token空间。该方法为LLM注入了可解释的归纳偏置，使其能够区分具有化学意义的结构特征，从而在分子性质预测和分子生成任务上取得了最先进的性能。该工作为构建旨在获得机理洞察和复杂化学推理能力的更强大分子LLM铺平了道路。
利用边缘分布校准地球物理预测，提升机器学习模型长期准确性
针对地球物理系统（如湍流、气候）对初始条件敏感、长期预测易偏离物理规律的问题，本研究提出了一种基于分布信息的机器学习校准框架。该方法利用已知的物理状态变量边缘分布作为先验知识，结合归一化与核化斯坦因差异（KSD）算法，对模型输出进行校准，确保其不仅短期预测准确，也与系统长期统计特性保持一致。实验表明，该方法在稀疏数据下仍能有效提升预测的物理一致性与鲁棒性。
基于LED的便携式金刚石磁强计，适用于教学与科普
本研究开发了一种紧凑、低成本的NV色心金刚石磁强计，其关键创新在于用高功率LED取代了传统的绿色激光器。这一改进显著提升了设备的安全性，降低了成本，并允许在演示中直接观察绿色激发光和红色光致发光。该装置易于组装，适用于科普活动和本科教学实验室。实验表明，它能产生ODMR光谱并对附近磁性物体作出响应，灵敏度约为1 μT/√Hz。
OSIRIS-REx样本返回舱超音速再入大气层的次声波源分析
本研究利用部署在预测航迹上的六个次声波麦克风，记录了OSIRIS-REx样本返回舱以高超音速再入大气层时产生的冲击波信号。通过结合多种大气剖面数据和几何声学近似，团队估算了信号发射源沿飞行路径的位置及其不确定性。研究对比了Whitham远场理论、Carlson简化音爆预测方法和以阻力为主导的高超音速模型等多种声源模型的预测结果。结果表明，结合无粘性Burgers方程求解器进行传播模拟的阻力主导源模型，与记录的次声波数据高度吻合。这些发现将有助于未来样本返回舱再入观测活动的规划，并增进对高空次声波源的理解。
高精度δ-切比雪夫方法：快速计算光谱密度的新算法
本文提出了一种用于计算光谱密度的高阶正则化δ-切比雪夫方法，并将其应用于由紧束缚模型导出的稀疏哈密顿量的局域态密度计算。该方法可视为流行的正则化切比雪夫核多项式方法的变体，但通过使用δ函数的高阶精确近似，实现了对平滑光谱密度热力学极限的快速收敛。其核心计算步骤与KPM相同，高阶精度通过廉价的后期处理实现。算法在石墨烯和扭转双层石墨烯的紧束缚模型中应用，展示了在非奇异点处局域态密度的高阶收敛性。
万花筒闪烁体成像：利用单光子相机实现高分辨率粒子事件捕捉
本研究提出了一种“万花筒闪烁体”设计，通过几何结构产生已知位置的镜像反射，显著提高了单光子雪崩二极管相机对单个高能粒子闪烁事件的微弱光信号收集能力。该方法结合了理论模型与算法，能够从极少量光子中估计事件的3D位置，为先进辐射成像技术提供了高分辨率事件测量方案。
脑组织高精度重建中的电扩散建模与仿真
本研究提出了一个计算框架，用于模拟可兴奋脑组织中的电扩散过程。该框架结合了从电子显微镜数据生成的逼真几何结构，并采用高效的数值方法。通过模拟神经元活动期间的脑组织电扩散动力学，研究突显了在密集脑组织重建中进行电扩散等多物理场建模与仿真所面临的数值和计算挑战。
多孔介质中极性流体流动的新模型：考虑压力依赖的粘度
本研究为具有压力依赖性牛顿粘度的极性流体，在变孔隙度介质中的流动建立了控制方程。通过本征体积平均法获得平均方程，并引入阻力函数来描述流体与多孔基质的相互作用。模型方程中包含了适用于颗粒和固结介质的广义达西项和福希海默项，以更精确地捕捉多孔微观结构对流动的影响。
冷电子如何通过二次不稳定性阻尼地球磁层中的哨声波
本研究针对地球磁层中能量低于100eV的冷电子，开发了基于矩的准线性理论，以量化其对平行传播哨声波的能量交换。研究发现，平行哨声波会激发二次不稳定性，产生斜向静电哨声波和伯恩斯坦模湍流，从而将能量转移给冷电子。该过程可在多种参数下持续，并导致主波几乎完全阻尼，这解释了为何高振幅平行哨声波与高振幅斜向波很少同时被观测到。
天文与几何方法确定朝拜方向：从古代仪器到现代算法
本研究探讨了利用天文观测和几何方法确定伊斯兰教朝拜方向（Qibla）的多种途径。论文回顾了穆斯林学者使用星盘、罗盘等工具的历史方法，并深入应用球面三角学技术，以精确计算地球上任意位置的朝拜方位角。研究不仅阐明了相关的几何构造，还提供了一个用C++实现的计算模型，为现代应用提供了兼具理论框架和实用价值的算法。
DFTB结合光-物质哈密顿量模拟振动极化激元动力学
本研究将密度泛函紧束缚方法与超越长波近似的光-物质哈密顿量相结合，模拟了分子振动与法布里-珀罗光学腔内受限辐射耦合形成的振动极化激元动力学。团队开发了一种利用实空间光-物质相互作用稀疏性的并行传播方案，并发现在线性光谱计算中，计算昂贵的玻恩电荷可被廉价的马利肯电荷替代，但在研究能量输运或化学动力学时，此近似会导致系统虚假加热。该方法已用于计算水的角度分辨极化激元光谱，并集成于开源软件包CavOTF。
太赫兹量子级联激光器频率梳在光反馈下的混沌动力学研究
本研究首次系统揭示了太赫兹量子级联激光器频率梳在外部光反馈下的非线性动力学行为。通过有效半导体麦克斯韦-布洛赫方程模拟，发现随着反馈强度增加，系统会经历从稳定频率梳到周期振荡，最终通向混沌的清晰分岔路径。特别在强反馈或高偏置电流下，原本稳定的激光输出会转变为具有宽带频谱和大正李雅普诺夫指数的混沌态。这一发现挑战了太赫兹量子级联激光器对外部扰动高度稳定的传统认知，为太赫兹传感、成像和安全通信等应用开辟了新途径。
高浓度电解质中结构与动力学的交叉转变
本研究通过分子动力学模拟，揭示了高浓度电解质中静电屏蔽、离子扩散和离子对寿命等关键性质随浓度增加发生的交叉转变。研究发现，这些转变与离子-溶剂耦合密切相关：在显式溶剂模型中，体系从电荷主导区过渡到密度主导区；而在隐式溶剂模型中，转变发生在两个电荷主导区之间。研究还表明，经扩散校正的离子对寿命是连接不同电解质体系离子结构与动力学的有效描述符。
热带天空的虹膜假说被推翻：二十年卫星数据显示变暖增强而非减弱卷云
本研究分析了2004-2024年Aura卫星微波临边探测仪的冰水含量数据与海表温度数据。通过计算热带地区红外辐射泄漏与海温时间序列的导数，发现两者呈负相关（皮尔逊相关系数-0.49），表明海温升高时红外泄漏减少。这一结果与“虹膜假说”的预测相反，意味着热带卷云在海洋变暖时会增强而非减弱，对气候反馈机制有重要修正意义。
数字表面活性剂：AI模型加速新型清洁剂分子设计
本研究探索了两种AI模型——基于图扩散的逆向设计模型和基于Transformer的分子优化模型——在非离子表面活性剂生成中的应用。模型可根据单一或多重性质约束生成分子，并通过分子动力学模拟验证。结果显示，逆向设计模型能生成更多样化的分子，而Transformer模型在满足特定性质约束方面表现更优。
仿星器中高能粒子轨道在有理磁通面附近形成漂移岛及其抑制条件
研究发现，即使仿星器磁场具有嵌套的环形磁通面，高能通行粒子轨道仍可能在有理磁通面附近形成“漂移岛”，这可能导致α粒子输运增强并局部压低其密度分布。研究推导了漂移岛形状的通用方程，并证明当且仅当磁场满足“周测性”条件时，所有通行粒子才不存在漂移岛。漂移岛宽度与归一化回旋半径、偏离周测性的程度、磁剪切等因素相关，在低剪切且不满足周测性的仿星器中可能产生较大漂移岛。研究结果与ASCOT5模拟高度吻合，并为通过磁场设计避免此效应提供了理论依据。
重力沉降对壁面附近颗粒输运的影响：边界条件与壁面取向的作用
本研究通过直接数值模拟，揭示了重力沉降对湍流边界层中惯性颗粒输运的复杂影响。研究发现，当壁面水平时，即使沉降参数Sv很小，沉降效应仍对近壁颗粒输运有显著影响；而在垂直壁面通道中，只有当Sv较大时（Sv≥O(1)），沉降效应才变得重要。研究还表明，颗粒的边界条件（如弹性碰撞与吸收壁）会显著改变输运过程对沉降参数的敏感性。
自适应反馈控制有效抑制超音速双流喷气高频噪声
本研究将在线动态模态分解与自适应反馈控制相结合，应用于马赫数1.6核心流与1.0旁通流混合形成的超音速双流喷气。该方法通过传感器测量实时构建并更新系统动力学模型，实现了对持续高频共振音调的高效靶向抑制，同时基本不干扰平均流场特征。该控制框架对传感器布置不敏感，且施加物理约束的控制器能通过反复瞬态稳定剪切层不稳定性，实现更强的涡旋抑制。统计表明自适应控制大幅削弱了导致特征频率的间歇性低压事件。
新方法从SWOT卫星数据中分离平衡海洋动力信号
本研究提出一种统计方法，用于从SWOT卫星获取的高分辨率海面高度数据中，分离出由中尺度和次中尺度湍流主导的“平衡”海洋动力信号。该方法基于高斯统计假设，通过拟合观测波数谱推断参数，并进行贝叶斯反演，以重建填补星下点间隙的海面高度图。在添加了真实SWOT噪声的高分辨率模拟数据测试中，该方法成功去除了小尺度噪声，同时保留了尺度低至10公里的涡旋、锋面和丝状结构，且后验不确定性可可靠地估计误差。
自调谐动态显式模态滤波方法提升湍流大涡模拟精度
本研究在间断伽辽金谱元法框架下，对先前提出的动态显式模态滤波方法进行了重要改进，引入了模型参数的自调谐机制。新方法通过将滤波核从截止型调整为双曲正切型，使其能自动适应不同多项式阶次；同时，根据每个单元的局部流动特征（如柯尔莫哥洛夫长度尺度、应变与旋转率张量的第二不变量）动态计算截止模态，从而更精确地移除亚网格尺度累积能量，避免欠耗散或过耗散。在三种典型湍流（均匀各向同性衰减、泰勒-格林涡和周期槽道流）中的测试表明，其性能优于原DEMF模型和Smagorinsky涡粘模型。
有限空心球中的微气泡内爆研究
本研究探讨了微气泡内爆（MBI）机制在有限空心球体中的可行性。通过电子分布模型和混合一维代码模拟，论文分析了电子在获得初始温度后的重新分布，并计算了填充空心腔所需的最佳参数。模拟结果表明，即使在有限球体条件下，MBI仍能发生，并可实现高密度压缩，同时确定了能最大化离子闪光的优化靶结构。
激光等离子体相互作用中千兆高斯磁场的放大机制
本研究通过模拟激光辐照微管结构，揭示了千兆高斯磁场放大的动力学过程。研究发现，磁场在种子磁场相反极性下被放大，其光斑尺寸与激光波长相当，寿命达数百飞秒。研究提出了一个解析模型来解释其物理机制，该成果对未来实验设计具有指导意义。
纳米流体边界层流动的线性稳定性研究：纳米颗粒密度影响显著
本研究采用包含布朗运动和热泳效应的两相模型，分析了纳米流体在平板上的边界层流动稳定性。研究发现，在忽略布朗运动和热泳效应时，纳米颗粒浓度在边界层内均匀分布；反之，则在平板表面附近形成薄浓度层。稳定性计算表明，纳米颗粒密度是影响Tollmien-Schlichting波稳定性的关键因素：高密度颗粒（如银、铜）具有失稳效应，而低密度颗粒（如铝、硅）则产生微弱的稳定效应。此外，粘度模型也对稳定性特征产生影响。